电气系统与信息技术学报：线路起动电容补偿同步磁阻电机的性能研究

可在www.sciencedirect.com上在线ScienceDirect电气系统与信息技术学报5（2018）843线路起动电容补偿同步磁阻电机A.S.O. Ogunjuyigbea， A.A. Jimohb，T. R. 约德尔调a尼日利亚，伊巴丹，伊巴丹大学，电气和电子工程系，动力能源机械和驱动研究组b南非比勒陀利亚茨瓦内理工大学电气工程系接收日期：2015年5月21日;接收日期：2016年11月8日;接受日期：2016年12月12日2017年1月26日在线发布摘要本文研究了自起动电容补偿同步磁阻电机的同步和异步性能它提供了深入了解补偿同步磁阻电机的动态和瞬态行为三个操作场景进行了模拟补偿和未补偿的机器。两个定子绕组的电流的相互作用贡献了最大量的转矩。无功功率为（160，1775）Var，空载时主绕组电流分别为（4.93，0.48）A（补偿，未补偿）电机。这揭示了补偿电机在提高功率因数和每安培扭矩方面的优势© 2017 电 子 研 究 所 （ ERI ） 。 Elsevier B. V. 制 作 和 托 管 这 是 CC BY-NC-ND 许 可 证 下 的 开 放 获 取 文 章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：同步磁阻电机;转矩发展;线路启动;电容补偿;功率因数改善;同步1. 介绍同步磁阻电机是一种单凸极电机，可用于驱动多电机应用。这种应用通常要求所有机器的同步速度操作，即使它们的轴中的负载变化。在其最简单的形式中，该机器是一种没有任何转子磁场绕组的同步电动机的形式，但是对于线启动电动机操作，同步磁阻电机需要转子笼绕组。笼允许像感应电动机那样直接从电源启动电动机，并且类似地抑制在启动期间出现的振荡*通讯作者。电子邮件地址：a. ui.edu.ng（A.S.O. Ogunjuyigbe）。电子研究所（ERI）负责同行评审https://doi.org/10.1016/j.jesit.2016.12.0122314-7172/© 2017电子研究所（ERI）。Elsevier B. V.制作和托管这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。844A.S.O. Ogunjuyigbe等人/电气系统与信息技术杂志5（2018）843DT异步操作另一方面，逆变器驱动器的发展使转子笼的去除成为可能，从而修改转子几何形状以获得高凸极比。 这导致了不同转子类型的发展（Ogunjuyigbe和Jimoh，2012年; Matsuo和Lipo，1994年; Chen等人，2010; Zhang等人， 2006年）。同样，逆变器的使用越来越多，扩大了在工业中使用这种机器的可能性。然而，大多数工业上使用的自起动常规磁阻电机在转子中装有笼此外，由于凸极比和扭矩指数较低，它们的功率因数和扭矩性能较差（Obe和Binder，2011年）。不同的作者（Bomela和Kamper，2002;Chiba和Kampao，1992;Rakgati和Kamper，2006;Toliyat等人，1998）已经检查并报告了改善该机器的性能特性的方法，其中（Rakgati和Kamper，2006）报告了扭矩性能的4%改善，而没有关于功率因数的明显报告然而，Xu和Fu（2002）得出结论，尽管扭矩可以提高，但功率因数完全取决于转子设计。Ogunjuyigbe等人的配置（Ogunjuyigbe等人，2008;Ogunjuyigbe等人，2010）将Muljadi等人（1989）、Roberts（1989）和Umans和Hess（1983）在三相感应电机上使用的方法扩展到传统的同步磁阻电机。该配置涉及使用双定子绕组和电容补偿。 他们（Ogunjuyigbe等人， 2010）研究了电机的同步操作，并报道了利用适当尺寸的电容器，常规转子电机的有效凸极比得到改善。此外，还报道了实验测量的功率因数为0.969，每安培的扭矩有所改善，而几何形状没有任何变化。然而，对这种配置的早期工作的进一步调查表明，它不能帮助机器自己启动，因此他们没有报告同步磁阻电机的动态和瞬态性能。因此，本文关注本身的动态和瞬态行为的同步磁阻电机与笼型绕组和电容补偿。通过电容补偿，该机器已被证明以改善的功率因数运行。线启动和异步操作的机器与此配置以及动态的扭矩生产的调查和报告。它还概述了这种配置的优势，在能力，以自我同步和改善的输入功率因数和转矩每安培的机器。2. 电机模型为了更深入地了解电机的动态和瞬态特性，本文从广义方程出发，建立了一种简单的带转子绕组和电容补 偿 的 凸 极 转 子 同 步 磁 阻 电 机 的 分 析 模 型 ， 并 在 MATLAB/SIMULINK 环 境 下 进 行 了 仿 真MATLAB/SIMULINK是一个适合于开发面向目的的动态系统虚拟模型的、易于编程的工具Ong（2006年）和Fedák等人（2012年）介绍了MATLAB在电机建模和仿真中的应用，而Mohammad（2016年）则利用MATLAB预测年降水量。在本文中，所开发的模型是非常有用的，以调查个别参数的性能特性的影响在制定这一模式的过程中，将采用下列经典假设和近似值1) 定子和笼状转子绕组正弦分布，2) 这两个定子绕组是相同的，并且绕制的极数相同3) 两个定子绕组'ABC'和'XYZ'是电隔离的4) 定子和转子的铁是无限导磁的，因此不考虑饱和主定子绕组-“ABC”连接到电源并承载负载电流，而辅助绕组-“XYZ”连接到平衡电容器。两个定子绕组占据相同的定子槽并且彼此不移位。2.1. 定子电压方程对于Vabcs=Rabcsiabcs+dλabcs（1）A.S.O. Ogunjuyigbe等人/电气系统与信息技术杂志5（2018）843845×⎡⎤⎢⎣⎥⎦⎡⎤⎢⎣⎥⎦DT=iI;I二维⎪VCS我CSλcsVZSλzsVCZS其中Rabcs是对角矩阵，其中对角元素是主定子绕组的每相电阻ABC，下标VasVabcs=Vbs;iabcs=ibs;λabcs=λbs磁链方程可以写为：λabcs =Labcsi abcs+L abcxyzsi xyzs+L abcsqdri qdr（2）Eq的第一项（2）给出了ABC定子绕组电流引起的ABC定子绕组磁链，而第二项表示XYZ定子绕组中电流引起的磁链。只有当电容器连接到绕组XYZ时，绕组XYZ中的电流才会流动。表达式的最后一项是转子绕组的贡献两个定子绕组具有相同的极数并且磁耦合;因此它们之间的互感因此表示如下：⎡⎢lls+L asL abLac⎤⎥⎫⎪Labcs=L bal ls++L bsLbc⎥⎦⎪LcaLcblls+Lcs⎪L轴⎢莱拉兹⎥⎬Labcxyzs=L bxL byL bzLcxLcyLcz⎪（三）拉斯克尔⎢拉斯德尔⎥⎪Labcsqdr=L bsqrL bsdrLcsqrL csdrixs我XYZSYSQDRizs我博士XYZ定子绕组的定子相电压表示为：Vxyzs=Rxyzsixyzs+dλxyzs+Vcxyzs（5）其中Rxyzs是对角矩阵，其中对角元素是XYZ定子绕组的每相电阻，VC是电容器两端的电压。VxsλxsVcxsVxyzs=Vys;λxyzs=λys;Vcxyzs=Vcys;和ixyzs定义在方程中。并且在此根据电容器电压将其表示为：Dixyzs=Cdt Vcxyzs（6）辅助绕组中的磁链是主绕组和辅助绕组的贡献的组合，并且其表示为：λxyzs=L xyzabcsi abcs+L xyzsi xyzs+L xyzsqdri qdr（7）=（四）846A.S.O. Ogunjuyigbe等人/电气系统与信息技术杂志5（2018）843⎢⎣⎥⎦DTabcxyzs其中：⎡⎢llx+LxsLxyLxz⎤⎥⎫⎪Lxyzs=1000LyxLly++LysLyzLzxL zyl lz+L zs⎥⎦⎪Labcxyzs=LT刘伟杰（八）xsqr⎢XSDR⎥⎪Lxyzsqdr=LysqrLysdrLzsqrL zsdr2.2. 转子电压方程转子上的笼形绕组被建模为两个等效绕组，一个在q轴上，另一个在d轴上。以与定子绕组类似的方式，电机的转子电压方程可以以矩阵形式写为：Vqdr=Rqdriqdr+dλqdr（9）其中Rqdr是q轴和d轴上的转子电阻，iqdr表示相应的转子电流。鉴于电机的配置，转子中的磁链将具有三个分量;第一个分量是由于ABC定子绕组电流，第二个分量是由于XYZ定子绕组电流，第三个分量是由于转子电流。因此，磁链表示为：λqdr=L qdrabcsi abcs+L qdrxyzsi xyzs+L qdri qdr（10）其中Lqdr是笼形绕组的自感，Lqdrabcs和Lqdrxyzs表示转子和相应定子绕组之间的互感（abcs，xyzs）。它是在Eqs中定义的（3）和（8）。转子的电感如下所示：Lqdrllqr+Lqr00lldr+Ldr中国（11）其中Lldr和Llqr是转子阻尼器绕组的漏电感。2.3. 转矩方程为了完成该机器的建模方程的推导，引入了该机器的转矩方程以及机械方程由转子动力学方程描述的机械方程以积分形式表示为：pωr=2J（Tem -TL ）dt（12）其中J是旋转质量的总惯性，TL是负载转矩，Tem是由机器产生的电磁转矩，p是转子上的极数。转矩方程可从磁共能（Wω）导出。定义了磁场中的共能如：Wω=1iT Lss is（13）=⎪⎭A.S.O. Ogunjuyigbe等人/电气系统与信息技术杂志5（2018）8438472s其中Is是系统电流矢量，Lss是定子绕组和转子电路的互感和耦合电感鉴于本研究中所研究的特定机器，is=i abcsi xyzsiqdr（14）848A.S.O. Ogunjuyigbe等人/电气系统与信息技术杂志5（2018）843⎢⎣⎥⎦⎪不拉吉吉不格达斯Q FO2πem2sθr电子邮件*+iqdr+iqdr⎪⎭θr（θr）cos（θr−2π）cos（θr+2π）R3 ⎣R3D⎢⎡LabcsLabcxyzsLabcsqdr⎤⎥Lss=L xyzabcsL xyzL xyzqdr（15）LqdrabcsL qdrxyzsL qdr然后使用以下公式评估电磁扭矩：P & W公司T=（十六）EM2θr式中，θr为转子位移（单位：电弧度），p为极数。因此，电磁转矩写为：T=piTLssi（十七）扩展等式（17）通过将（14）和（15）代入（17），电机的电磁转矩被表示为由每组定子和转子绕组电流产生的转矩的单独总和，因此每个绕组组的贡献被清楚地分离，使得转矩产生的动态可以变得明显。因此，电磁转矩表示为：不ABCsAbcsiθrABCs+iabcs不Abcxyzsiθrxyz的+iabcs不LabcsqdriθrQDR⎫⎪T=p+iTLxyzsi+iLxyzabcsi+iLxyzsqdri（十八）EM2⎪xyz的QDRθrxyz的xyz的不θrABCsxyz的不θrQDR⎪2.4. 坐标变换到目前为止开发的模型可以用来模拟机器的动态，但是，时变互感和耦合电感的解决方案变得复杂。因此，为了便于分析，将方程转换为qd为了消除电压方程中的正弦耦合，定子和转子参考共同的参考。由于当变换参考固定在转子上时，同步电机的时变电感为常数，因此已知两个定子绕组中的每一个都是3相的并且都占据相同的槽，应用用于3相电机的众所周知的dq变换将定子相位变量转换为转子参考坐标系的变量变化表示为Novotny和Lipo（2000）：fqdas=T（θr）fabcs（19）fqdxs=T（θr）fxyzs（20）并且逆函数给出为：fabcs=T（θr）−1f r（二十一）其中，f qdas= fqrfqr，f可以是电压、电流或磁通链。2T（θ）=θsin（θ）sin（θ123- ） sin（θ12SQdrabcsiθrABCsQdrxyzsiθrxyz的QDRiθrQDRRA.S.O. Ogunjuyigbe等人/电气系统与信息技术杂志5（2018）8438492π3 ⎦3+）12（二十二）R850A.S.O. Ogunjuyigbe等人/电气系统与信息技术杂志5（2018）843DTDTDT⎣⎦DTqdxsDTqdxsCCCqdxsCRR33和cos（θr）sin（θr）1T（θr）−1=πcos（θr−2π） sin（θr−2π）1⎥33（二十三）πcos（θr+2π）sin（θr+2π）1π将（19）-（23）的变换T（θr）Vabcs=T（θr）Rabcs T（θr）−1iqdas+T（θr）dT（θr）−1λqdas（24）T（θr）Vxyzs=T（θr）Rxyzs T（θr）−1iqdxs+T（θr）dT（θr）−1λqdxs+T（θr）Vcxyzs（25）Vqdr=Rqdriqdr+dλqdr（26）电容器电压（Vcxyzs）可以通过重新排列（6）变换为dq转子参考系，以获得：iqdxsdC=T（θ）dtVcxyzs（27）使用链式法则，（27）的右侧解析为：qdxsdr rC=dtVCqdxs−oVCqdxs（28）⎢⎡0 1 0⎤⎥其中：o= −ωr −10 00 0 0（24）-（26）的表达式V=R作为i-oλ+dλr（二十九）格达斯0=Rxs ir格达斯-oλ格达斯+dλr格达斯+Vrqdxs（30）0=Rqdriqdr+dλqdr（31）V r qdxs=1μm。Ir+oVrqdxsdt（32）以类似的方式进行操作之间的方程。在等式（19）和（32）中，如果将等式（2）、（7）和（10）的磁链我RRRqdxsA.S.O. Ogunjuyigbe等人/电气系统与信息技术杂志5（2018）843851⎡λ⎦⎦ ⎣⎦⎣qdxsλqdr⎣qdxsiqdr⎤乘以适当的变换矩阵，则解析为：rLqdasLqdaxsLqdasqdrir格达斯λrLqdrqdasL qdrqdxsL qdr（三十三）记住，由于定子槽中辅助绕组可用的设计和空间，辅助绕组的匝数（Ns2）可能不总是等于主定子绕组的Ns1。因此，匝数比变换（Ojo等人， 1997），但本文中使用的模型假设了一个单位匝数比（N s1 = N s2）。Schriferl和Ong（1983）已经充分证明，在占据相同定子槽的两组绕组因此，为了推广的开发模型的目的，在最终的等效电路中占的互漏电感（Llm将（33）代入（29）-（31），重新排列和处理方程，考虑Schriferl和Ong（1983）中提出的互漏电感，得到图1所示的等效电路。 1提出了一种适用于笼形转子绕组和电容补偿的同步磁阻电机格达斯852A.S.O. Ogunjuyigbe等人/电气系统与信息技术杂志5（2018）843⎨RθrQDR图1.一、带辅助绕组和电容补偿的笼型同步磁阻电机的等效电路（a）d轴等效电路，（b）q轴等效电路。将（19）好吧T（θ）−1ir我的天啊T（θ）−1ir+。T（θ）−1ir我的天啊abc xyzs。T（θ）−1irΣ⎫⎪格达斯⎪θr格达斯格达斯θr格达斯⎪+。T（θ）−1irT+。T（θ）−1irTT（θ）−1irPRQdasθrQDRrqdxsθrrqdxsTem=2⎪ .我的天啊- 是的qdxs格达斯简体中文qdxs（三十四）⎪+T（θr）−1ir⎪QDRθrθrRT（θr）−1ir格达斯QDR+T（θr）−1irθrRθrQDRiqdr⎪电子邮件*我的天啊T（θ）−1ir+iT1000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000T（θ）−1ir+iT∂Lqdri⎪⎭当适当的电感和电流矩阵代入方程。（34）和精心扩展，电磁转矩方程解决：RqdxsRA.S.O. Ogunjuyigbe等人/电气系统与信息技术杂志5（2018）843853em2 2达斯盖斯盖斯达斯dxs qxs公司简介RT=3p。λrir −λi+λi−λ中国（35）为了令人信服地显示每个定子绕组的贡献，并证明具有这种配置的机器中的扭矩产生的动态（35）在电流方面展开以获得Eq. （36）其中突出显示了不同的扭矩分量（HosseinzadehSoreshjani和Haghparast，2014）：Tem=Te1+Te2+Te3+Te4+Te5（36）R854A.S.O. Ogunjuyigbe等人/电气系统与信息技术杂志5（2018）843..e5mdxs drqxsmqxsqr dxs哪里3个pT1=L3个p-LIrIre22das卡斯堡⎪Te 2 =. Ldxs−Lqx sIr Ir2 23个pT= Ldxs qxs-LI r Ir+IIrΣ⎪⎬（三十七）e32 2 mdas姆盖斯哈斯角⎪T=3p。L我 Ir−L我是说，e42 2MDAs 盖斯博士姆盖斯 格尔达斯⎪T=3p。L IIr−LIIr当量（36）示出了机器具有五个主要扭矩分量（Te1Te1和Te2是磁阻转矩R2 2A.S.O. Ogunjuyigbe等人/电气系统与信息技术杂志5（2018）843855分别由主绕组和辅助绕组产生第三个分量（Te3）是磁阻由于两个定子绕组中电流的相互作用而产生的转矩。第四个（Te4）和第五个（Te5）扭矩分量将本文中报道的机器与别处报道的无笼机器（Ogunjuyigbe等人， 2010年）。 它们（Te4和Te5）分别由保持架绕组、主绕组和主绕组的相互作用产生。绕组和辅助绕组。它们帮助机器实现同步并抑制振荡，在机器的异步操作期间出现。方程的解（12）、（29）856A.S.O. Ogunjuyigbe等人/电气系统与信息技术杂志5（2018）843在任何地方都没有报道。在检查机器对负载变化的响应时，使用下式评估机器的滑移：传统的表达：A.S.O. Ogunjuyigbe等人/电气系统与信息技术杂志5（2018）843857ωs− ωrω858A.S.O. Ogunjuyigbe等人/电气系统与信息技术杂志5（2018）843s其A.S.O. Ogunjuyigbe等人/电气系统与信息技术杂志5（2018）843859中，ωs是同步速度，ωr是电机轴的转速。3. 模860A.S.O. Ogunjuyigbe等人/电气系统与信息技术杂志5（2018）843拟结果和讨论A.S.O. Ogunjuyigbe等人/电气系统与信息技术杂志5（2018）843861（三十八）862A.S.O. Ogunjuyigbe等人/电气系统与信息技术杂志5（2018）843一个计算机模型建立在微分方程。（12），（29）